柳树坪电站导水机构结构和功能的改进处理

谢 斐，李 权，姚文俊，任 超

(湖北清江水电开发有限责任公司，湖北 宜昌 443000)

柳树坪水电站是清江水布垭电站的保安自备电站,其中水轮机由哈尔滨电机股份有限公司制造。水轮机的型号为HLA791A-LJ-146，为立轴混流式悬吊型机组，单机额定功率20.62 MW，最大工作水头203 m，设计工作水头170 m，最小工作水头147 m，机组额定转速600 r/min。导水机构主要包括：底环、顶盖、活动导叶、导叶操作机构、导叶止推装置等。底环、顶盖为整体结构，活动导叶共20片，导叶端、立面密封均为刚性。控制环为整体焊接结构，其全关至全开的旋转角度为12.6°。活动导叶及底环、顶盖的抗磨环用耐腐蚀、抗磨损的不锈钢材料制造，导叶轴套用FZ-6自润滑轴套。

1 存在的主要问题

从2009年开始，柳树坪电站机组逐渐暴露出剪断销频繁被剪断，表1为统计的2009年至2015年柳树坪电站剪断销剪断数据。

柳树坪电站机组在多次检修中检查发现活动导叶与顶盖摩擦，检修中打磨抛光恢复了顶盖抗磨面，下一次检修检查发现又会出现活动导叶与顶盖摩擦的情况。活动导叶与顶盖摩擦情况如图1。

表1 柳树坪电站剪断销剪断数据统计表

图1 活动导叶与顶盖摩擦情况

2 原因分析

柳树坪电厂导叶的端面、立面密封均为刚性密封，且端面设计总间隙为0.10～0.20 mm，实际间隙为0.30 mm。2015年和2016年的检修和专项检查处理，从接力器和控制环的水平，接力器的动作行程，导水机构的端面间隙调整固定方式和止推装置以及剪断销剪切力矩试验等方面进行检查处理，导致剪断销频繁剪断的主要原因是因机组多年运行底环导叶下轴端密封老化、磨损等原因失效使得活动导叶受到了上浮力，导叶止推装置不能有效阻止活动导叶上浮，活动导叶有微量上窜与顶盖剐蹭。活动导叶与顶盖剐蹭会增大活动导叶动作的阻力，当阻力增大到临界值后，剪断销就会被剪断。因仅更换剪断销无法从根本上解决问题，剪断销出现频繁被剪断。

柳树坪电站为中高水头(额定水头170 m)，导叶自重轻(57 kg)，如果在导叶下轴颈密封失效，导叶下轴端受到的作用力F=PS=1.7×106×3.14×(9×102)2=43 237.8 N，而导叶重力为G1=mg=57×10=570 N，(其中P为额定水头压力，S为导叶下轴端面面积)，拐臂重力为G2=mg=17×10=170 N，F远远大于导叶和拐臂自重。如果止推间隙过大，水压力必然克服导叶和拐臂以及其他附件自动而上浮至导叶上端面与顶盖抗磨板，在活动导叶动作时发生剐蹭。

3 改进处理

2015年和2016年在柳树坪电站机组检修中已经对导叶顶丝和导叶止推装置等进行优化改进，剪断销被剪断和导叶与顶盖摩擦的情况得到一定程度的改善。但是根本原因和防范措施仍不到位，剪断销被剪断和导叶与顶盖摩擦的情况还会发生。

2015年柳树坪电站机组检修中对导叶端面间隙调整结构设计进行改进处理。此次改进处理内容为：取消原来的导叶顶丝结构，采用在拐臂端盖和导叶轴间添加铜垫片调整导叶端面间隙并保证导叶与拐臂之间无相对运动。图2为导水机构装配图。

图2 导水机构装配图

2016年柳树坪电站机组检修中对导叶止推装置进行改进处理。此次改进处理内容为：增大导叶止推压板与拐臂止推槽的接触面积，导叶止推压板紧固螺栓由M12增大至M16。此次优化改进处理后，导叶止推装置限制活动导叶上窜效果得到提升，延长了活动导叶从调整好端面至活动导叶上窜与顶盖摩擦的时间。如图3为改进处理后的导叶止推装置，图4为止推装置图纸。

图3 改进处理后的导叶止推装置

图4 改进处理后的导叶止推装置图纸

4 扩修检查和处理方案

1)方案一：检查底环的导叶轴孔内泄压孔情况。根据柳树坪电站机组设计图纸显示，底环的导叶轴孔内各有一个直径10 mm的泄压孔。底环导叶轴内的泄压孔通畅可减轻活动导叶上浮，但据目前的运行状态此泄压孔工作是不正常的。由于不能确定设计图纸中的底环泄压孔是否存在，所以需在机组A修时现场检查确认。若机组已有底环泄压孔，则作为检修项目疏通即可。若机组没有底环泄压孔，依据图纸钻孔，同时开通泄压槽。图纸显示座环有开两根Φ20的导叶轴径排水管，但是否存在也需要现场确认。如果没有建议根据机组实际情况开设泄压槽孔。如图5为底环导叶轴孔内泄压孔。

图5 底环导叶轴孔内泄压孔

2)方案二：增大活动导叶端面总间隙至0.45 mm。根据检修实测机组现端面总间隙为0.30 mm，计划增大活动导叶端面总间隙至0.45 mm。即将底环抗磨工作面车去0.15 mm。

根据哈尔滨电机厂提供《柳树坪电站水轮机结构与运行维护说明书》中对导叶漏水量的要求为：新投入时不超过0.04 m3/s，运行8 000 h后不超过0.05 m3/s。因为导叶端面密封为刚性密封，所以增大导叶端面间隙有必要计算导叶漏水量。

导叶漏水量近似计算公式

Q=μA(2ρg(P1-P2)/ρ)1/2=μA(2g(H1-H2))1/2

式中：μ为管道流量系数，因仅过导叶端面，沿程损失和摩擦损失可以忽略不计，近似取值为1；A为过水面积，计算为1.311×10-3m2其中端面总间隙计算值为0.45 mm；g为重力加速度；P1为导叶靠蜗壳侧压力；P2为导叶靠转轮侧压力，取0.1 MPa；H1为工作水头；H2为转轮侧水头。

经计算当H取最小工作水头，即H=147 m时，Q=0.067 9 m3/s>0.05 m3/s。

经计算当H取设计工作水头，即H=170 m时，Q=0.073 4 m3/s>0.05 m3/s。

经计算当H取最大工作水头，即H=203 m时，Q=0.080 6 m3/s>0.05 m3/s。

同理当漏水量取最大值0.05 m/s计算最小水头147 m允许最大总间隙值为0.33 mm；额定水头170 m下允许最大总间隙值为0.30 mm；最小水头203 m允许最大总间隙值为0.279 mm。

由以上导叶漏水量计算可知，当导叶端面间隙增大至0.45 mm时，导叶漏水量超过了《柳树坪电站水轮机结构与运行维护说明书》中对导叶漏水量的要求。

3)方案三：增大活动导叶端面刚性总间隙至0.60 mm，并增加导叶上端面密封结构设计。本方案计划增大活动导叶端面刚性总间隙至0.60 mm，在顶盖与活动导叶上端面间增加端面密封结构，活动导叶上、下端面间隙均分，并把活动导叶上、下端面边沿导圆角。端面密封槽深15 mm，槽宽65 mm。端面密封条厚15.6 mm,端面密封条上端宽25 mm，下端宽35 mm，并且上端边沿导斜角。端面密封条压板上端宽30 mm，厚7 mm。端面密封条压板下端宽25 mm。如图6为端面密封设计示意图。

图6 端面密封设计示意图

本方案增大了导叶端面刚性总间隙，但是导叶全关时上端面无间隙，下端面间隙与方案实施前的端面总间隙一致，所以本方案实施后导叶漏水量不会增大。

本方案增加了端面密封结构后，会增大导叶动作阻力，有导致剪断销被剪断的可能性。并且由于要增加端面密封结构，需要破坏一层导叶中轴颈密封圈，可能导致导叶套筒漏水量增大。

5 现场处理

2017年柳树坪电站机组A修中因底环无法拆卸，通过打压灌水试验确认底环有导叶轴孔泄压孔并且底环有环形排水槽联通各导叶下轴孔，座环没有开两根Φ20的导叶轴径排水管。为从根本上防止导叶下轴颈密封失效而产生上浮，根据检查机组底环实际情况，觉得在底环内侧水平钻Φ8泄压孔，位置如图7标注所示。

图7 底环导叶轴孔内泄压孔

6 改进效果

柳树坪水电站导水机构结构和功能改进处理完成后至今，导水机构工作正常且再无剪断销剪断现象，底盖和底环无剐蹭现象。至此根本性地解决了困扰柳树坪水电站多年的活动导叶剪断销频繁剪断的顽疾。

7 结 语

针对柳树坪水电站活动导叶剪断销频繁剪断的问题,通过深入分析确认了造成问题的根本原因，并有针对性地制定了改进措施，解决了柳树坪水电站剪断销频繁剪断的问题。柳树坪水电站导水机构结构和功能的改进处理消除了机组运行过程中存在的缺陷，节约了成本，保证了机组的年利用小时数，提高了机组安全运行的可靠性。